FR2881298A1 - Dispositif amplificateur radiofrequence, en particulier pour telephone mobile cellulaire - Google Patents
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Abstract
Le dispositif amplificateur radiofréquence comprend un étage transconducteur (Q1) comportant une entrée pour recevoir un signal radiofréquence, et un étage cascode (M1) connecté sur la sortie de l'étage transconducteur. Il comprend en outre un étage amplificateur radiofréquence auxiliaire de compensation (QX1,RB1) connecté en boucle de contre-réaction entre la sortie (BS1) de l'étage transconducteur et la base ou la grille (BG1) de l'étage cascode.
Description
Dispositif amplificateur radiofréquence, en particulier pour téléphone
mobile cellulaire
L'invention concerne l'amplification radiofréquence et plus particulièrement mais non-limitativement les étages radiofréquence des récepteurs de signaux radiofréquence tels que par exemple des téléphones mobiles cellulaires fonctionnant selon la norme GSM, CDMA, DCS...
Dans les architectures radiofréquences réceptrices ou émettrices, la performance sur la valeur de transconductance est le plus souvent limitée par le courant circulant dans l'élément transconducteur, sa dégénérescence et son impédance de charge.
Par exemple, dans un récepteur bi-bandes du type à conversion directe, un tel élément transconducteur est utilisé dans l'étage amplificateur à faible bruit (LNA: Low Noise Amplifier, en langue anglaise).
La performance sur la valeur de transconductance du LNA est essentielle et conditionne des paramètres tels que le facteur de bruit du mélangeur situé en aval.
A titre indicatif, si l'on prend comme élément transconducteur un transistor bipolaire agencé selon un montage émetteur commun, et présentant une impédance de charge résistive R sur son collecteur, on montre que la valeur de transconductance gm d'un tel étage amplificateur est définie par le rapport du courant dynamique de collecteur sur la tension radiofréquence reçue sur la base du transistor.
Et, cette valeur de transconductance gm est égale alors en première approximation à 1 gmT 1+ jCRco (1) où gmT désigne la valeur de transconductance du transistor, C désigne la capacité collecteur-base du transistor, R l'impédance de charge du transistor et w la pulsation radiofréquence.
On voit donc que la transconductance totale gm est impactée par la capacité base-collecteur du transistor ainsi que par l'impédance de charge résistive R. L'impédance de charge résistive est le plus souvent remplacée par un transistor cascode connecté sur le collecteur du LNA. Le transistor cascode représente le meilleur compromis entre la transconductance et le facteur de bruit. Une telle solution est par exemple décrite dans l'article de Keng Leong Fong intitulé High- Frequency Analysis of Linearity Improvement Technique of Common-Emitter Transconductance Stage Using a Low-Frequency-Trap Network , ieee. Journal of Solid-State Circuits, vol.35, n 8, août 2000.
En effet, outre le fait que le transistor cascode permet d'augmenter l'isolation entre l'amplificateur LNA et le mélangeur situé en aval, il permet de présenter sur le collecteur du transistor amplificateur une faible impédance dynamique (égale à l'inverse de la transconductance du transistor cascode) comparée à l'impédance résistive de charge précédemment mentionnée.
Pour améliorer la transconductance gm, une solution consiste lorsqu'on utilise un montage différentiel, à effectuer un couplage croisé capacitif entre le collecteur du LNA et la base ou la grille du transistor cascode. Cette configuration permet de diviser par deux l'impédance dynamique présentée par le transistor cascode.
Une autre solution basée sur une réaction positive décrite dans l'article de Francesco Centurelli et autres intitulé A Bootstrap Technique for Wideband Amplifiers ; ieee Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, vol.49, n 10, octobre 2002, permet de compenser par un anti-pôle, le pôle introduit par la capacité basecollecteur. Le résultat se traduit par ue augmentation de la bande passante et de la transconductance radiofréquence de l'amplificateur. Néanmoins, cette solution large bande nécessite une dégénération résistive pour l'amplificateur, ce qui conduit nécessairement à une augmentation du facteur de bruit.
L'invention vise à apporter une solution différente au problème de l'amélioration de la valeur de transconductance d'un étage amplificateur radiofréquence.
Un but de l'invention est de proposer une solution particulièrement simple qui puisse être réalisée soit dans une architecture à entrée unique, soit dans une architecture différentielle.
Un autre but de l'invention est de proposer une solution qui ne conduise pas à une augmentation du facteur de bruit.
Selon un mode de réalisation de l'invention, il est ainsi proposé un dispositif amplificateur radiofréquence comprenant un étage transconducteur comportant une entrée pour recevoir un signal radiofréquence, et un étage cascode connecté sur la sortie de l'étage transconducteur.
Selon une caractéristique générale de ce mode de réalisation, le dispositif amplificateur radiofréquence comprend en outre un étage amplificateur radiofréquence auxiliaire de compensation connecté en boucle de contre réaction entre la sortie de l'étage transconducteur et la base ou la grille de l'étage cascode.
Cette solution est ainsi notamment basée sur une réaction négative, ou contre réaction, en ce sens que si des variations en tension v sont présentes en entrée de l'étage amplificateur de compensation, cet étage réinjecte sur la base ou la grille de l'étage cascode une tension égale à Av où A désigne le gain radiofréquence de l'amplificateur auxiliaire. Par conséquent, de par cette boucle de contre-réaction ou de compensation, l'étage amplificateur auxiliaire vient compenser les variations en tension sur la sortie de l'étage transconducteur, c'est-à-dire sur le collecteur du transistor d'entrée dans un mode de réalisation.
Le dispositif peut présenter une architecture du type à entrée unique.
Selon un mode de réalisation du type à entrée unique, l'étage cascode comprend un transistor cascode et l'étage amplificateur auxiliaire comprend un transistor auxiliaire connecté selon un montage du type émetteur commun entre la sortie de l'étage transconducteur et la base ou la grille du transistor cascode, ainsi qu'une résistance auxiliaire connectée au collecteur de ce transistor auxiliaire.
Le dispositif comprend également avantageusement une source de courant de polarisation de l'étage amplificateur auxiliaire, connectée en série entre une borne d'alimentation et ladite résistance auxiliaire. Il est par ailleurs prévu un condensateur de découplage radiofréquence connecté sur la borne commune à la source de courant et à ladite résistance auxiliaire. On évite ainsi notamment tout résidu radiofréquence sur la source de courant de polarisation.
En variante le dispositif comprend une source de courant de polarisation de l'étage amplificateur auxiliaire, connectée en série entre l'émetteur du transistor auxiliaire et la masse, ainsi qu'un condensateur de découplage connecté entre l'émetteur du transistor auxiliaire et la masse.
Le dispositif selon l'invention peut également présenter une architecture différentielle.
Ainsi, selon un mode de réalisation du type à architecture différentielle, l'étage cascode comprend deux transistors cascode respectivement connectés sur les deux bornes de sortie différentielles de l'étage transconducteur. L'étage amplificateur auxiliaire comprend alors deux transistors auxiliaires respectivement connectés selon des montages du type émetteur commun entre les deux bornes de sortie de l'étage transconducteur et les bases ou grilles de commande des deux transistors cascode, ainsi que deux résistances auxiliaires respectivement connectées aux collecteurs de ces deux transistors auxiliaires.
Il est là encore avantageusement prévu une source de courant de polarisation de l'étage amplificateur auxiliaire, connectée en série entre une borne d'alimentation et les collecteurs des deux transistors auxiliaires, ainsi que de préférence un condensateur de découplage radiofréquence connecté sur la borne commune à la source de courant et aux deux résistances auxiliaires.
En variante le dispositif comprend une source de courant de polarisation de l'étage amplificateur auxiliaire, connectée en série entre les émetteurs des deux transistors auxiliaires et la masse.
L'invention propose également un récepteur de signaux radiofréquence, par exemple un téléphone mobile cellulaire, incorporant un dispositif amplificateur tel que défini ci-avant.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 illustre d'une façon schématique un mode de réalisation d'un téléphone mobile cellulaire incorporant un mode de réalisation d'un dispositif amplificateur radiofréquence selon l'invention, la figure 2 illustre plus en détail mais toujours de façon schématique un premier mode de réalisation d'un dispositif amplificateur radiofréquence la figure 3 illustre plus en schématique un autre mode amplificateur radiofréquence la figure 4 illustre plus en schématique, un autre mode amplificateur radiofréquence la figure 5 illustre plus en schématique un autre mode amplificateur radiofréquence Sur la figure 1, la référence selon l'invention, détail mais toujours de façon de réalisation d'un dispositif selon l'invention, détail, mais toujours de façon de réalisation d'un dispositif selon l'invention, et détail mais toujours de façon de réalisation d'un dispositif selon l'invention.
TP désigne un élément d'un système de communication sans fil, tel qu'un récepteur de signaux radiofréquence, par exemple un téléphone mobile cellulaire.
Le téléphone TP comporte une antenne ANT connectée à un étage radiofréquence ERF comportant un amplificateur faible bruit LNA relié à un étage de mélange MX par un étage cascode M assurant notamment une isolation entre l'amplificateur LNA et l'étage de mélange MX situé en aval. Classiquement l'étage ERF comprend également un autre élément amplificateur et un élément de filtrage (non représentés sur cette figure à des fins de simplification) connectés en aval de l'étage de mélange.
La sortie de l'étage radiofréquence est connectée de façon classique et connue en soi à un étage de traitement numérique en bande de base BB par l'intermédiaire d'un étage de conversion analogique numérique CAN.
La figure 2 illustre plus en détail un exemple de réalisation de l'amplificateur LNA dans une architecture à entrée unique.
Plus précisément, le dispositif amplificateur comporte un élément amplificateur transconducteur Q1 formé ici d'un transistor bipolaire agencé selon un montage émetteur commun, bien qu'il soit possible de prévoir un montage du type base commune. Il est également possible dans le montage émetteur commun de dégénérer inductivement l'émetteur du transistor Q1, c'est à dire de le relier à la masse par l'intermédiaire d'une inductance de dégénérescence.
Dans ce montage émetteur commun, la borne d'entrée BEI du dispositif, reliée à la base du transistor Q1, reçoit la tension d'entrée radiofréquence Vin.
La borne de sortie BS1 de l'étage amplificateur Q1, reliée au collecteur du transistor Q1 est connectée à un transistor cascode M1 formé ici d'un transistor NMOS dont le drain forme la borne de sortie B SS 1 reliée à l'étage de mélange MX (figure 1). Le transistor cascode pourrait être également un transistor bipolaire.
Le dispositif amplificateur comprend également un étage amplificateur auxiliaire comportant ici un transistor auxiliaire QX1 connecté selon un montage du type émetteur commun entre la sortie de l'étage transconducteur et l'électrode (ici la grille) de commande BG1 du transistor cascode M1.
L'étage amplificateur auxiliaire comprend également une résistance auxiliaire RB1 connectée au collecteur du transistor auxiliaire QX1 ainsi qu'à la grille BG1 du transistor cascode M1.
L'amplificateur auxiliaire est polarisé ici par une source de courant SC connectée entre la tension d'alimentation Vdd et la résistance auxiliaire RB1.
Par ailleurs un condensateur de découplage CDC est connecté entre la masse et la borne commune de la résistance RB1 et de la source de courant SC. De ce fait l'impédance vue du collecteur de QX1 est définie par la résistance RB1 et non par celle de la source de courant SC.
L'amplificateur auxiliaire est en fait un amplificateur de compensation connecté en boucle de compensation (ou de contre réaction) entre la sortie B S 1 de l'étage transconducteur Q1 et l'entrée de commande BG1 de l'étage cascode.
L'amplificateur auxiliaire est un amplificateur radiofréquence car il présente un gain dans le domaine radiofréquence.
Plus précisément, si des variations en tension v sont présentes sur le collecteur du transistor Q1, et par conséquent en entrée du transistor QX1, l'amplificateur auxiliaire réinjecte sur la base du transistor cascode M1 une tension égale à Av où A désigne le gain radiofréquence de l'amplificateur auxiliaire. Par conséquent, de par cette boucle de compensation induisant une réaction négative ou contre réaction, l'amplificateur auxiliaire QX1,RB1 vient compenser les variations en tension sur le collecteur du transistor Q1.
La fonction de transfert en tension de l'amplificateur auxiliaire de compensation QX1,RB1 est donnée au premier ordre par la formule suivante A(jco) = gmQX, RBl (2) 1-1- jRB1.Cp.co dans laquelle Cp désigne la capacité parasite ramenée par la capacité grille-substrat (bulk) du transistor cascode M1 et par la capacité collecteur-substrat du transistor QX1.
En pratique, le rapport 1/RB1.Cp est très grand par rapport à la pulsation radiofréquence co, par exemple dans un rapport de 10.
On montre alors que l'impédance vue du collecteur de l'élément transconducteur Q1 est égal à 1/(gmmi(1+A)).
De ce fait, l'impédance vue du collecteur de Q1 est donc divisée par le gain de boucle A (gain radiofréquence de l'amplificateur auxiliaire) par rapport à la solution de l'art antérieur qui prévoit la seule utilisation d'un étage cascode.
La figure 3 illustre un autre mode de réalisation de l'invention, dans une architecture à entrée unique, dans laquelle l'amplificateur auxiliaire est polarisé par le bas.
Plus précisément le transistor Q1 est polarisé par une source de courant SCB connectée entre l'émetteur de Q1 et la masse. Pour éviter la saturation de l'étage transconducteur, l'émetteur du transistor QX1 est relié à une autre source de courant SCA. Des condensateurs de découplage CDCA et CDCB sont respectivement connectés entre la masse et les émetteurs des transistors QX1 et Q1. La résistance RB1 est reliée à la tension d'alimentation Vdd par l'intermédiaire d'une source de tension de décalage STD, par exemple un régulateur ou tout autre circuit connu en soi.
Le dispositif amplificateur selon l'invention peut être également réalisé selon une architecture différentielle telle que celle illustrée par exemple sur la figure 4.
On voit sur cette figure que l'étage transconducteur de l'amplificateur LNA comporte deux transistors Q1 et Q2 montés en montage émetteur commun, le signal radiofréquence d'entrée (tension Vin) était appliqué en différentiel entre les deux bornes d'entrée BEl et BE2 respectivement connectées aux bases des transistors Q1 et Q2.
Les émetteurs des transistors Q1 et Q2 sont connectés à la masse par l'intermédiaire d'une source de courant SC2.
Les bornes de sortie (collecteurs) des transistors Q1 et Q2 (référencées BS1 et BS2) sont isolées des bornes de sortie BSS1 et BSS2 connectées à l'étage de mélange par un étage cascode composé ici de deux transistors cascode M1 et M2.
L'étage amplificateur auxiliaire de compensation comporte dans ce mode de réalisation deux transistors auxiliaires QX1 et QX2 agencés en montage émetteur commun et respectivement connectés en boucle entre les bornes BS1 et BS2 et les grilles de commande des transistors cascode M1 et M2.
Les deux amplificateurs auxiliaires comportent deux résistances auxiliaires RB1,RB2 respectivement connectées en série sur les collecteurs respectifs des transistors QX1 et QX2.
Les moyens de polarisation de l'étage amplificateur auxiliaire comportent également la source de courant SC connectée entre la borne d'alimentation Vdd et la borne commune des résistances auxiliaires RB1 et RB2.
Enfin un condensateur de découplage CDC est avantageusement connecté entre la borne commune des résistances RB1 et RB2 et la masse.
La figure 5 représente une autre architecture différentielle possible qui est une variante de la figure 4, et dans laquelle on vient polariser les transistors Q1 et Q2 par une source de courant SC2. Pour éviter la saturation de l'étage transconducteur, les émetteurs des transistors QX1 et QX2 des amplificateurs auxiliaires de compensation sont reliés à une source de courant SC. Les résistances RB1 et RB2 r son alors connectés à l'alimentation Vdd par l'intermédiaire d'une source de tension de décalage STD.
A titre indicatif, les inventeurs ont mis en évidence par exemple, une amélioration de 4 dB à 3 GHz sur la valeur de t:ransconductance gm entre un dispositif amplificateur de l'art antérieur avec étage cascode uniquement et un dispositif selon l'invention équipé d'un étage amplificateur auxiliaire radiofréquence de compensation.
Par ailleurs, un récepteur bi-bandes GSM et DCS a été réalisé avec un étage amplificateur selon l'invention en utilisant une technologie BiCMOS. La structure choisie était une structure différentielle, chaque élément transconducteur étant polarisé avec un courant collecteur de 3,5 milliampères. La consommation totale de l'étage amplificateur auxiliaire de compensation s'élève à 1,2 milliampère, ce qui représente uniquement 7 % de la consommation totale dans le mode DCS. Il a également été observé un accroissement du gain d'étage transconducteur conduisant à une réduction du bruit des étages aval. Plus précisément, par rapport à une solution de l'art antérieur utilisant un couplage capacitif croisé, on a obtenu une augmentation du gain de 2,5 dB et une diminution du facteur de bruit de 1 dB, et ce sans modifier la linéarité des amplificateurs.
Claims (12)
1. Dispositif amplificateur radiofréquence, comprenant un étage transconducteur (Q l) comportant une entrée pour recevoir un signal radiofréquence, et un étage cascode (Ml) connecté sur la sortie de l'étage transconducteur, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un étage amplificateur radiofréquence auxiliaire de compensation (QX1,RB 1) connecté en boucle de contre réaction entre la sortie (BS1) de l'étage transconducteur et la base ou la grille (BG1) de l'étage cascode.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il présente une architecture du type à entrée unique.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'étage cascode comprend un transistor cascode (Ml), et par le fait que l'étage amplificateur auxiliaire comprend un transistor auxiliaire (QX1) connecté selon un montage du type émetteur commun entre la sortie de l'étage transconducteur et la base ou la grille du transistor cascode, ainsi qu'une résistance auxiliaire (RB1) connectée au collecteur de ce transistor auxiliaire.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comprend une source de courant de polarisation (SC) de l'étage amplificateur auxiliaire, connectée en série entre une borne d'alimentation et ladite résistance auxiliaire (RB 1), et par le fait que le dispositif comporte en outre un condensateur de découplage radiofréquence (CDC) connecté sur la borne commune à la source de courant et à ladite résistance auxiliaire.
5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comprend une source de courant de polarisation (SC) de l'étage amplificateur auxiliaire, connectée en série entre l'émetteur du transistor auxiliaire (QX1) et la masse, ainsi qu'un condensateur de découplage (CDCA) connecté entre l'émetteur du transistor auxiliaire et la masse.
6,. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il présente une architecture différentielle.
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que l'étage cascode comprend deux transistors cascode (M1,M2) respectivement connectés sur les deux bornes de sortie différentielles de l'étage transconducteur, et par le fait que l'étage amplificateur auxiliaire comprend deux transistors auxiliaires (QX1,QX2) respectivement connectés selon des montages du type émetteur commun entre les deux bornes de sortie de l'étage transconducteur et les deux bases ou grilles des deux transistors cascode, ainsi que deux résistances auxiliaires (RB1, RB2) respectivement connectées aux collecteurs de ces deux transistors auxiliaires.
8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il comprend une source de courant de polarisation (SC) de l'étage amplificateur auxiliaire, connectée en série entre une borne d'alimentation et les collecteurs des deux transistors auxiliaires.
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que le dispositif comporte en outre un condensateur de découplage radiofréquence (CDC) connecté sur la borne commune à la source de courant et aux deux résistances auxiliaires.
10. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il comprend une source de courant de polarisation (SC) de l'étage amplificateur auxiliaire, connectée en série entre les émetteurs des deux transistors auxiliaires et la masse.
11. Récepteur de signaux radiofréquences, caractérisé par le fait qu'il incorpore un dispositif amplificateur selon l'une des
revendications 1 à 10.
12. Récepteur selon la revendication 11, caractérisé par le fait qu'il forme un téléphone mobile cellulaire (TP).
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 12 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 13 |
|
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20180928 |